《科學》首次發表中國科學家在鐵基超導體領域研究成果

　　最近，《科學》發表了中科院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室（籌）表面物理實驗室馬旭村研究組與清華大學物理系薛其坤研究組合作，在鐵基超導體FeSe電子配對對稱性研究中取得的新進展。這是我國科學家首次在Science雜志上刊登該領域的研究成果。　 

　　鐵基超導體是繼銅氧化合物高溫超導體之后又被發現的一類新型高溫超導材料。它的出現為高溫超導電性的研究開辟了一個全新的研究方向，是目前物理學的一個研究熱點。我國科學家在這個領域表現出色，整體研究水平處于國際領先行列。與銅氧化合物高溫超導體的研究類似，鐵基超導機理研究的最核心科學問題是電子如何形成庫珀電子對。因此，確定電子配對的對稱性（也就是庫珀電子對的形狀）具有極其重要的意義，但這個問題至今沒有一個明確的結論。

　　在所有鐵基超導體研究中，β-FeSe具有最簡單的化學結構，被認為是探索超導機制的原型體系。然而，目前所報道的FeSe單晶和薄膜樣品均存在化學計量比的差異、無序或團簇狀等問題，嚴重影響著對FeSe超導體中電子配對對稱性和能隙函數中是否存在零線或節點等的確定。因此，獲得高質量的單晶樣品是進一步研究其超導機制的重要前提。

　　該研究團隊把半導體領域中的分子束外延技術拓展到鐵基超導材料的制備中，實現了對超導薄膜生長過程和形貌在原子水平上的精確控制（圖1A），在石墨化的SiC(0001)襯底上制備出了化學成分嚴格可控的高質量單晶FeSe薄膜，利用同時具有空間和能量高分辨本領的低溫強磁場掃描隧道顯微技術對薄膜進行了原位的表征。圖1B為所生長的FeSe薄膜的掃描隧道顯微鏡照片，圖中每個亮點代表一個Se 原子。2.2K下的原位低溫掃描隧道譜實驗表明，FeSe薄膜的超導轉變溫度與薄膜厚度的倒數1/d成線性關系，超導的臨界厚度為兩個單位單胞。這部分工作發表在7月12日的《物理評論B》雜志上，并被選為“Editors’ Suggestions”文章 【Phys. Rev. B 84, 020503 (2011)】。

　　為了深入研究FeSe超導體的電子配對對稱性這一重要問題，該研究團隊對FeSe薄膜在極低溫條件下的掃描隧道譜（dI/dV，正比于樣品的態密度）進行了詳細的觀測，發現了FeSe薄膜的dI/dV譜在0.4K時具有“V”型特點（圖1C），直接證明了FeSe超導體配對函數中存在能隙零線。更為重要的是，通過采集零偏壓下掃描隧道顯微譜圖像，在實空間直接觀察到FeSe薄膜的量子化磁通、磁通中心的束縛態以及束縛態在空間的演化規律（圖2）。單個磁通和束縛態在空間的演化均表現為兩重對稱性，確定性地證明了FeSe鐵基超導體中的電子配對函數具有兩重對稱性。進一步的雜質態的空間分布和雜質散射實驗結果也驗證了上述結論（圖3）。他們還與美國加州大學圣地亞哥分校的吳從軍教授進行理論上的合作，提出FeSe電子配對四重對稱性的破缺很可能與軌道依賴的電子結構的重組有關。

　　由于電子配對的對稱性對理解鐵基高溫超導機理的重要意義，該成果刊登在6月17日的《科學》上【Science 332, 1410 (2011)】。這是我國科學家首次在Science雜志上刊登這個領域的研究成果。該成果的獲得得益于該研究團隊長期致力于精密實驗技術發展所做的努力。他們將分子束外延技術與掃描隧道顯微技術進行了有效的結合，并在國際上已經形成了自己獨特的研究特色。

　　上述工作得到了國家自然科學基金、科技部和中國科學院的基金資助。

　　圖1. （A）MBE方法制備30層厚FeSe薄膜的STM形貌圖（200 nm × 200 nm）和（B）原子分辨圖像（5 nm × 5 nm）。（C）溫度依賴的dI/dV譜。樣品準粒子激發在0.4 K的溫度下表現出“V”型的特點，說明FeSe超導配對函數中存在能隙零線。（D）FeSe超導體動量k空間費米面結構示意圖。黑色虛線和紅色虛線分別表示coskx?cosky和coskx+cosky配對對稱性的能隙零線。能隙零線的存在表明，FeSe超導體配對函數主要由coskx+cosky成分組成。

　　圖2. FeSe超導體磁通束縛態。（A）在磁通中心所做的dI/dV譜。其零偏壓電導峰（Zero Bias Conductance Peak，ZBCP）主要對應于磁通中心束縛態的基態。（B）單個磁通的STM圖像（40 nm × 40 nm，1 Tesla）。磁通沿a方向拉長，說明了配對能隙大小的各向異性。（C，D）磁通中心束縛態的空間演化。偏離磁通中心ZBCP峰分裂成為兩個關于費米能級對稱的峰，但演化行為沿a，b方向不同。

　　圖3. FeSe超導體表面單個Fe原子（A）和Se缺陷（D）上的雜質態（B和E）以及雜質態的空間分布圖像（C和F）。雜質態在空間的分布同樣具有兩重對稱性。